Что полезно знать в наше время

Научные исследования продолжаются. Уровень образованности населения растет. Окруженные технологическими чудесами, от носимой электроники до спутников связи, мы должны быть чертовски умными и разбираться в науке, не так ли? Проблема в том, что мы (ну хорошо, не мы, но многие) страшные невежды, если дело доходит до фундаментальных научных знаний. Только 53% людей знают, что Земля обращается вокруг Солнца за год, и только 59% людей знают, что первые люди и динозавры жили в разное время, а не как во «Флинстоунах». Только 47% людей точно отвечают, что 70% поверхности Земли покрыто водой.

Очевидно, хотя мы прошли длинный путь, впереди предстоит еще много шагов, прежде чем мы достигнем универсальной научной грамотности. Но для тех из вас, кто отчаянно пытается сменить тему, когда кто-то упоминает бозон Хиггса, суперкомпьютеры или начинает спорить о том, что у динозавров были перья, есть хороший повод почитать эту статью. Эта статья про десять научных вопросов, ответы на которые должен знать каждый.

Почему небо голубое?

Мы видим синее или голубое небо, белые перья облаков или тяжелые грозовые тучи. Но голубое небо нам все-таки нравится больше, чем пасмурное. Европейские ученые выяснили, что свет синей части спектра положительно влияет на эмоции, заставляя нас более чутко реагировать на эмоциональные раздражители и адаптироваться к эмоциональным трудностям.

Но не будем отвлекаться. Небо кажется голубым из-за так называемого эффекта рассеяния. Солнечный свет должен пройти через земную атмосферу, наполненную газами и частицами, которые являются барьерами, о которые стукается солнечный свет. Если вы когда-нибудь держали в руках призму, вы знаете, что свет состоит из кучи разных цветов, каждый из которых имеет разную длину волны. У синего цвета длина волны относительно короткая, поэтому он проходит через этот фильтр легче, чем цвета с большими длинами волн, и в результате рассеивается более широко по мере прохождения через атмосферу. Вот почему небо кажется синим, когда Солнце находится высоко в небе.

На рассвете и закате, однако, солнечные лучи должны пройти большее расстояние, чтобы достичь своей позиции. Это сводит на нет преимущество длины волн синего цвета и позволяет видеть нам другие цвета — часто красные, оранжевые или желтые.

Вы спросите, почему небо не фиолетовое? У фиолетового длина волны еще короче. Но солнечный спектр неравномерный, и фиолетового цвета в нем меньше, к тому же глаз более чувствителен к синем и менее — к фиолетовому.

Каков возраст Земли?

Наверное, ни один Новый Год на нашей планете не обходится, когда кто-нибудь не скажет всерьез: «Не могу поверить, что Земле исполняется 2015 лет!». Или 2016, или 2017… Настоящий возраст Земли давно является предметом ожесточенных споров. Еще в 1654 году, ученый по имени Джон Лайтфут, расчеты которого были основаны на библейской Книге Бытия, провозгласил, что Земля была создана в 9 утра по месопотамскому времени 26 октября в 4004 году до н. э. В конце 1700-х ученый граф де Бюффон нагрел созданную им маленькую копию планеты и измерил скорость, с которой она остыла, и уже на основе этих данных оценил возраст Земли в 75 000 лет. В 19 веке физик лорд Кельвин определил возраст Земли в 20-40 миллионов лет.

Но все это пошло прахом вместе с открытием радиоактивности. Последующие расчеты показали, с какой скоростью распадаются разные радиоактивные вещества. Ученые Земли использовали эти знания для определения возраста горных пород Земли, а также образцов из метеоритов и камешков, привезенных с Луны астронавтами. Они смотрели на состояние распада изотопов свинца из камней, а затем сравнивали со шкалой, которая показывала, как меняются изотопы свинца со временем. Земля образовалась примерно 4,54 миллиарда лет назад с погрешностью менее одного процента.

Как работает естественный отбор?

Как и возраст Земли, теория эволюции — впервые разработанная биологом Чарльзом Дарвином в середине 1800-х годов — отдельная тема, которую люди не знают, но любят обсуждать. В наше время противники теории эволюции пытаются убрать ее из программы обучения в школах или чтобы дети изучали «науку о сотворении» в довесок к теории эволюции.

И есть одна идея, за которую цепляются противники эволюции: естественный отбор, центральное понятие Дарвина. Понять эту идею довольно просто. В природе мутации — то есть постоянное изменение генетической программы микроорганизмов, которое впоследствии будет отличать вид от его предшественника, — происходят случайно. Но эволюция, длительный процесс, в ходе которого животные и растения претерпели множество изменений в течение многих поколений, не случайна. Как правило, изменения в организмах становятся более распространенными со временем, если помогают организму выживать и размножаться.

К примеру, представьте, что некоторые жуки — зеленые, но вследствие мутации становятся коричневыми. Коричневые жуки сливаются с окружением лучше, чем зеленые, поэтому их нечасто едят птицы. Их выживает больше, они воспроизводятся в большем количестве, и эти изменения принимают не временный, а уже постоянный характер. Со временем популяция жуков станет коричневой. Но это простейший вариант. На практике же естественный отбор берет за основу среднестатистических, а не конкретных представителей, и выделить этот процесс не очень просто.

Погаснет ли Солнце когда-нибудь?

Если вы думаете, что Солнце для человека прекращает светить, когда он переживает тяжелые периоды своей жизни, то в реальности все не так. Ирония в том, что реальность вокруг нас — свет Солнца, пение птиц — более прочна, чем наши хрупкие чувства. Если только вы не родились 5,5 миллиарда лет спустя. В этот момент Солнце, как и другая звезда, как гигантский термоядерный реактор, исчерпает весь водород в своем ядре и начнет сжигать водород в окружающих слоях.

Это станет началом конца Солнца — ядро будет сокращаться, а внешние слои расширяться, и звезда станет красным гигантом. В заключительной вспышке Солнце поджарит Солнечную систему взрывом тепла, которое превратит в небесную сауну даже прохладные окрестности Плутона и пояса Койпера. Внутренние планеты, в том числе Земля, будут засосаны умирающим гигантом либо превратятся в пепел.

Впрочем, если люди не колонизируют Солнечную систему или другие звезды, никто и не узнает об этом финальном аде. Солнце, которое отжило уже половину своего жизненного срока, постепенно нагревается, и спустя миллиард лет будет на 10% больше. Увеличения солнечной радиации будет достаточно, чтобы испарить все земные океаны, оставив нас без воды и остальных радостей жизни.

Как работают магниты?

Долгое время магниты считались чем-то вроде чудес. И это печально, потому что понять принцип их работы довольно просто. Магнит — это любой объект или материал, обладающий магнитным полем. То есть куча электронов в нем плывут в одном направлении. Электроны любят образовывать пары, а в железе, например, есть много беспарных электронов, которых легко подвязать на какую-нибудь тусовочку. Потому-то объекты из твердого железа или вообще с большим количеством железа будут притягиваться к достаточно мощному магниту. Вещества и предметы, притягиваемые к магнитам, называются ферромагнетиками.

Люди знали о магнетизме с незапамятных времен. В природе магниты встречаются, и средневековые путешественники научились намагничивать стальные стрелки компасов, то есть создавали собственные магнитные поля. Такие магниты не были особо прочными, но в 20 веке ученые разработали новые материалы и зарядные устройства, которые привели к созданию мощных постоянных магнитов. Вы можете создать электромагнит из куска железа, обернув его электропроводом и присоединив его концы к полюсам крупной батареи.

Что вызывает радугу?

Есть что-то особенное в этом атмосферном явлении, которое вызывает благоговение у людей с древних времен. По Книге Бытия, Господь положил радугу на небо после Великого потопа и сказал Ною, что это «знак соглашения между Мной и землей». Древние греки пошли дальше и решили, что радуга — это богиня Ирида. Правда, фигура у нее была зловещей — она возвещала войну и возмездия. На протяжении веков великие умы, от Аристотеля до Декарта, пытались выяснить, какой процесс порождает многоцветие радуги.

Теперь, конечно, ученым это хорошо известно. Радугу вызывают капли воды, которые остаются взвешенными в атмосфере после хорошего ливня. Плотность капель отличается от плотности окружающего воздуха, потому, когда солнечный свет попадает в них, они выступают в роли крошечных призм, разбивая свет на составные длины волн, а затем отражая их обратно. Рождается дуга с полосами цвета видимого спектра, которую мы видим. Поскольку капли должны отражать свет к нам, чтобы увидеть радугу, нужно находиться спиной к солнцу. Также нужно смотреть с земли под углом примерно в 40 градусов — таков угол отклонения радуги, то есть угол, под которым она преломляет солнечный свет. Интересно и то, что, находясь в самолете, вы можете увидеть радугу в виде диска, а не дуги.

Что такое теория относительности?

Когда кто-то упоминает «теорию относительности», обычно имеется в виду сразу две теории, специальная и общая, разработанные физиком Альбертом Эйнштейном в начале 1900-х годов. Независимо от степени нашего почитания Эйнштейна, люди, далекие от науки, мало разбираются в его теориях. Сам Эйнштейн придумал хороший способ объяснения: «Когда мужчина сидит с симпатичной девушкой целый час, ему кажется, что прошла минута. Но пусть он посидит на горячей печке с минуту, и она покажется ему дольше часа. Все относительно».

Вроде бы все понятно, хотя детали, конечно, сложнее. До Эйнштейна все в значительной степени считали, что пространство и время неподвижны и монотонны, никогда не меняются, с какой точки на Земле вы бы на них ни смотрели. Но Эйнштейн использовал математику, чтобы доказать, что абсолютный взгляд на вещи — иллюзия. На самом деле пространство и время меняются: пространство может сжиматься, расширяться, изгибаться, и время течет с разной скоростью в зависимости от скорости движения объекта или силы гравитационного поля.

Кроме того, проявление пространства и времени может зависеть от точки наблюдения человека. Представьте, например, что вы смотрите на старые тикающие часы. Теперь поместите эти часы на орбите Земли, чтобы они двигались с огромной скорость по сравнению с вашим положением на Земле. Часы на орбите будут тикать медленнее.

Часы идут медленнее из-за явления «замедления времени». Пространство и время на самом деле являются частями одного целого пространства-времени, которое может искажаться гравитацией и ускорением. Потому если объект движется очень быстро или на него воздействует очень мощное гравитационное поле, время для этого объекта будет идти медленнее по сравнению с объектом, который не подвергается такому же воздействию. С помощью математических расчетов можно предсказать, как будет замедляться время для быстро движущихся объектов.

Вероятно, это звучит странно. Но это правда. GPS-спутники, которые зависят от точного измерения времени и составляют карту Земли, хороший тому пример. Спутники летают вокруг планеты на скорости порядка 14 000 километров в час, и если бы инженеры не подкорректировали часы с учетом относительности, то уже через день карты Google ошибались бы почти на 10 километров во время позиционирования.

Почему пузыри круглые?

Да, пузыри не всегда идеально круглые, как вы, должно быть, заметили, если хотя бы раз их надували. Но пузыри стремятся к сферической форме, и можно заметить, что даже самые длинные из них стремятся стать круглыми. Дело в том, что пузыри по сути представляют собой тонкие слои жидкости, молекулы которой держатся за счет явления, называемого когезией. Это создает поверхностное натяжение — барьер, который не дает объектам проникнуть сквозь него. Но это не единственная сила, которая действует на этот слой. Снаружи давят молекулы воздуха. Самый эффективный способ для жидкостного слоя противодействовать этим силам — принять наиболее компактную форму, которая представляет собой сферу, если рассчитывать соотношение объема к площади.

Что примечательно, ученые давно научились делать некруглые пузыри — кубические, прямоугольные (натягивая тонкий слой жидкости на проволочном каркасе), какие угодно.

Из чего сделаны облака?

Надеемся, что никого не разочаруем, но облака на самом деле — это не смесь мороженого и ангельских перьев. Облака — это видимая масса водяных капель или кристалликов льда, или смеси обоих, которые подвешены над поверхностью Земли. Облака возникают, когда поднимается влажный теплый воздух. Когда он поднимается выше и достигает холодных зон, теплый воздух остывает, а водяной пар конденсируется в крошечных водяных капельках или кристалликах льда, в зависимости от температуры. Эти капли и кристаллики остаются сбитыми вместе благодаря принципу когезии, о котором мы говорили чуть выше. Так рождается облако. Некоторые облака толще других, потому что у них более высокая плотность водяных капель.

Облака — ключевая часть гидрологического цикла нашей планеты, в процессе которого вода постоянно перемещается между поверхностью и атмосферой, сменяясь между жидким, твердым и газообразным состоянием. Если бы не этот цикл, жизни на нашей планете, возможно, не было бы.

В 1803 году метеоролог Люк Говард выделил четыре основных классификации облаков, которые сегодня имеют русские и латинские названия. Cumulus, или кучевые облака — это нагроможденные кусковые облака, которые мы часто видим в небе. Cirrus, перистые облака, что означает «волосы» на латыни, — это легкие перья на высоте, тонкие, как пряди волос. Плоские и невзрачные облака — это слоистые stratus, что означает «слой» на латыни. Есть также облака nimbus, низкие и серые дождевые тучи. Впрочем, подвидов и разновидностей облаков, а также их смесей чуть больше.

Почему вода испаряется при комнатной температуре?

Мы, люди, привыкли думать о реальности как о хорошем стабильном месте, где разные вещи остаются на своих местах, если только мы не захотим подвинуть их. Но реальность иная. Если вы взглянете на воду на молекулярном уровне, молекулы будут выглядеть как стая щенков, которые борются за лучшие позиции на брюхе мамки. Когда в воздухе собирается много водяного пара, молекулы натыкаются на поверхность и прилипают к ней, в результате чего на внешней стороне холодного напитка во влажный день образуется конденсат.

И наоборот, когда воздух сухой, молекулы воды в вашей чашке могут прилипать к другим молекулам, проплывающим в воздухе. Этот процесс называется испарением. Если воздух достаточно сухой, больше молекул будет переходить от чашки к воздуху, нежели выпадать из воздуха в чашку. Со временем вода будет терять все больше молекул, и в конечном итоге вы окажетесь с пустой чашкой.

Способность молекул из жидкого состояния выпрыгивать в воздух и прилипать к нему называется давлением пара, потому что прыгающие молекулы оказывают силу, так же как газ или твердое вещество, которое давит на что-то. Различные жидкости имеют различное давление паров. У ацетона, например, этот показатель высокий, то есть он легко испаряется. Оливковое масло, наоборот, имеет низкий показатель давления пара и вряд ли будет испаряться при комнатной температуре.